在本文中，我们提出了一种新方法，以可靠的方式使用基于几何的变异自动编码器以可靠的方式执行数据增强。我们的方法结合了VAE被视为Riemannian歧管的适当潜在空间建模和新一代方案，该方案产生了更有意义的样本，尤其是在小型数据集的背景下。该方法通过广泛的实验研究进行了测试，在该研究中，其对数据集，分类器和训练样品的稳健性受到了强调。还可以在充满挑战的ADNI数据库上进行医学成像分类任务进行验证，其中使用拟议的VAE框架考虑了少量的3D脑MRIS并增强。在每种情况下，所提出的方法都可以在分类指标中获得显着可靠的增益。例如，在最先进的CNN分类器中，经过50次认知正常（CN）和50例阿尔茨海默氏病（AD）患者的最先进的CNN分类器，平衡准确度从66.3％跃升至74.3％，从77.7％到86.3％。具有243 CN和210 AD，同时提高了极大的敏感性和特异性指标。
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本文通过采取完全几何学的角度引入了对变异自动编码器框架的新解释。我们认为，香草vae自然而然地揭示了其潜在空间中的riemannian结构，并且考虑到这些几何方面可以导致更好的插值和改进的生成程序。这种新提出的采样方法包括从统一分布中的采样组成，该分布本质地从学到的利曼式潜在空间中得出，我们表明，使用此方案可以使香草VAE竞争性且比几个基准数据集中更先进的版本更好。由于已知生成模型对训练样品的数量很敏感，因此我们还强调了该方法在低数据状态下的鲁棒性。
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近年来，由于其对复杂分布进行建模的能力，深层生成模型引起了越来越多的兴趣。在这些模型中，变异自动编码器已被证明是计算有效的，并且在多个领域中产生了令人印象深刻的结果。在这一突破之后，为了改善原始出版物而进行了广泛的研究，从而导致各种不同的VAE模型响应不同的任务。在本文中，我们介绍了Pythae，这是一个多功能的开源Python库，既可以提供统一的实现和专用框架，允许直接，可重现且可靠地使用生成自动编码器模型。然后，我们建议使用此库来执行案例研究基准测试标准，在其中我们介绍并比较了19个生成自动编码器模型，代表了下游任务的一些主要改进，例如图像重建，生成，分类，聚类，聚类和插值。可以在https://github.com/clementchadebec/benchmark_vae上找到开源库。
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与CNN的分类，分割或对象检测相比，生成网络的目标和方法根本不同。最初，它们不是作为图像分析工具，而是生成自然看起来的图像。已经提出了对抗性训练范式来稳定生成方法，并已被证明是非常成功的 - 尽管绝不是第一次尝试。本章对生成对抗网络（GAN）的动机进行了基本介绍，并通过抽象基本任务和工作机制并得出了早期实用方法的困难来追溯其成功的道路。将显示进行更稳定的训练方法，也将显示出不良收敛及其原因的典型迹象。尽管本章侧重于用于图像生成和图像分析的gan，但对抗性训练范式本身并非特定于图像，并且在图像分析中也概括了任务。在将GAN与最近进入场景的进一步生成建模方法进行对比之前，将闻名图像语义分割和异常检测的架构示例。这将允许对限制的上下文化观点，但也可以对gans有好处。
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这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。
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反事实可以以人类的可解释方式解释神经网络的分类决策。我们提出了一种简单但有效的方法来产生这种反事实。更具体地说，我们执行合适的差异坐标转换，然后在这些坐标中执行梯度上升，以查找反事实，这些反事实是由置信度良好的指定目标类别分类的。我们提出了两种方法来利用生成模型来构建完全或大约差异的合适坐标系。我们使用Riemannian差异几何形状分析了生成过程，并使用各种定性和定量测量方法验证了生成的反事实质量。
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2022-04-14
基于似然或显式的深层生成模型使用神经网络来构建灵活的高维密度。该公式直接与歧管假设相矛盾，该假设指出，观察到的数据位于嵌入高维环境空间中的低维歧管上。在本文中，我们研究了在这种维度不匹配的情况下，最大可能的训练的病理。我们正式证明，在学习歧管本身而不是分布的情况下，可以实现堕落的优点，而我们称之为多种歧视的现象过于拟合。我们提出了一类两步程序，该过程包括降低降低步骤，然后进行最大样子密度估计，并证明它们在非参数方面恢复了数据生成分布，从而避免了多种歧视。我们还表明，这些过程能够对隐式模型（例如生成对抗网络）学到的流形进行密度估计，从而解决了这些模型的主要缺点。最近提出的几种方法是我们两步程序的实例。因此，我们统一，扩展和理论上证明了一大批模型。
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机器学习模型通常会遇到与训练分布不同的样本。无法识别分布（OOD）样本，因此将该样本分配给课堂标签会显着损害模型的可靠性。由于其对在开放世界中的安全部署模型的重要性，该问题引起了重大关注。由于对所有可能的未知分布进行建模的棘手性，检测OOD样品是具有挑战性的。迄今为止，一些研究领域解决了检测陌生样本的问题，包括异常检测，新颖性检测，一级学习，开放式识别识别和分布外检测。尽管有相似和共同的概念，但分别分布，开放式检测和异常检测已被独立研究。因此，这些研究途径尚未交叉授粉，创造了研究障碍。尽管某些调查打算概述这些方法，但它们似乎仅关注特定领域，而无需检查不同领域之间的关系。这项调查旨在在确定其共同点的同时，对各个领域的众多著名作品进行跨域和全面的审查。研究人员可以从不同领域的研究进展概述中受益，并协同发展未来的方法。此外，据我们所知，虽然进行异常检测或单级学习进行了调查，但没有关于分布外检测的全面或最新的调查，我们的调查可广泛涵盖。最后，有了统一的跨域视角，我们讨论并阐明了未来的研究线，打算将这些领域更加紧密地融为一体。
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深度生成模型提供了一种系统的方式来学习非线性数据分布，通过一组潜在变量和非线性“生成器”函数映射到输入空间中的潜在点。发电机的非线性意味着潜伏空间给出了输入空间的扭曲视图。在温和的条件下，我们表明这种失真可以通过随机的黎曼公制表征，并证明在该度量下显着改善距离和嵌段。这反过来又改善了潜在空间中的概率分布，采样算法和聚类。我们的几何分析进一步揭示了当前发生器提供了差的方差估计，并提出了一种新的发电机架构，具有巨大改进的方差估计。结果在卷积和完全连接的变分性自动化器上进行了说明，但形式主义容易推广到其他深度生成模型。
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变异推理（VI）的核心原理是将计算复杂后概率密度计算的统计推断问题转换为可拖动的优化问题。该属性使VI比几种基于采样的技术更快。但是，传统的VI算法无法扩展到大型数据集，并且无法轻易推断出越野数据点，而无需重新运行优化过程。该领域的最新发展，例如随机，黑框和摊销VI，已帮助解决了这些问题。如今，生成的建模任务广泛利用摊销VI来实现其效率和可扩展性，因为它利用参数化函数来学习近似的后验密度参数。在本文中，我们回顾了各种VI技术的数学基础，以构成理解摊销VI的基础。此外，我们还概述了最近解决摊销VI问题的趋势，例如摊销差距，泛化问题，不一致的表示学习和后验崩溃。最后，我们分析了改善VI优化的替代差异度量。
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统计模型是机器学习的核心，具有广泛适用性，跨各种下游任务。模型通常由通过最大似然估计从数据估计的自由参数控制。但是，当面对现实世界数据集时，许多模型运行到一个关键问题：它们是在完全观察到的数据方面配制的，而在实践中，数据集会困扰缺失数据。来自不完整数据的统计模型估计理论在概念上类似于潜在变量模型的估计，其中存在强大的工具，例如变分推理（VI）。然而，与标准潜在变量模型相比，具有不完整数据的参数估计通常需要估计缺失变量的指数 - 许多条件分布，因此使标准的VI方法是棘手的。通过引入变分Gibbs推理（VGI），是一种新的通用方法来解决这个差距，以估计来自不完整数据的统计模型参数。我们在一组合成和实际估算任务上验证VGI，从不完整的数据中估算重要的机器学习模型，VAE和标准化流程。拟议的方法，同时通用，实现比现有的特定模型特定估计方法竞争或更好的性能。
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The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.
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神经网络在许多科学学科中发挥着越来越大的作用，包括物理学。变形AutoEncoders（VAE）是能够表示在低维潜空间中的高维数据的基本信息，该神经网络具有概率解释。特别是所谓的编码器网络，VAE的第一部分，其将其输入到潜伏空间中的位置，另外在该位置的方差方面提供不确定性信息。在这项工作中，介绍了对AutoEncoder架构的扩展，渔民。在该架构中，借助于Fisher信息度量，不使用编码器中的附加信息信道生成潜在空间不确定性，而是从解码器导出。这种架构具有来自理论观点的优点，因为它提供了从模型的直接不确定性量化，并且还考虑不确定的交叉相关。我们可以通过实验表明，渔民生产比可比较的VAE更准确的数据重建，并且其学习性能也明显较好地缩放了潜伏空间尺寸的数量。
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现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。
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随机过程提供了数学上优雅的方式模型复杂数据。从理论上讲，它们为可以编码广泛有趣的假设的功能类提供了灵活的先验。但是，实际上，难以通过优化或边缘化来有效推断，这一问题进一步加剧了大数据和高维输入空间。我们提出了一种新颖的变性自动编码器（VAE），称为先前的编码变量自动编码器（$ \ pi $ vae）。 $ \ pi $ vae是有限的交换且Kolmogorov一致的，因此是一个连续的随机过程。我们使用$ \ pi $ vae学习功能类的低维嵌入。我们表明，我们的框架可以准确地学习表达功能类，例如高斯流程，也可以学习函数的属性以启用统计推断（例如log高斯过程的积分）。对于流行的任务，例如空间插值，$ \ pi $ vae在准确性和计算效率方面都达到了最先进的性能。也许最有用的是，我们证明了所学的低维独立分布的潜在空间表示提供了一种优雅，可扩展的方法，可以在概率编程语言（例如Stan）中对随机过程进行贝叶斯推断。
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在这项工作中，我们为生成自动编码器的变异培训提供了确切的可能性替代方法。我们表明，可以使用可逆层来构建VAE风格的自动编码器，该层提供了可拖动的精确可能性，而无需任何正则化项。这是在选择编码器，解码器和先前体系结构的全部自由的同时实现的，这使我们的方法成为培训现有VAE和VAE风格模型的替换。我们将结果模型称为流中的自动编码器（AEF），因为编码器，解码器和先验被定义为整体可逆体系结构的单个层。我们表明，在对数可能，样本质量和降低性能的方面，该方法的性能比结构上等效的VAE高得多。从广义上讲，这项工作的主要野心是在共同的可逆性和确切的最大可能性的共同框架下缩小正常化流量和自动编码器文献之间的差距。
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这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。
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变异自动编码器（VAE）最近在归类和获取异质缺失数据方面非常成功。但是，在此特定应用程序域中，仅使用一层潜在变量和严格的高斯后近似值来限制现有的VAE方法。为了解决这些局限性，我们提出了HH-VAEM，这是一种用于混合型不完整数据的层次VAE模型，该模型使用Hamiltonian Monte Carlo和自动超参数调谐，以改善近似推断。我们的实验表明，HH-VAEM在缺少数据插补和有缺少功能的监督学习的任务中优于现有基线。最后，我们还提出了一种基于抽样的方法，用于在使用HH-VAEM获取缺失功能时有效地计算信息增益。我们的实验表明，基于抽样的方法优于基于高斯近似值的替代方法。
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Helmholtz机器（HMS）是由两个Sigmoid信念网络（SBN）组成的一类生成模型，分别用作编码器和解码器。这些模型通常是使用称为唤醒 - 睡眠（WS）的两步优化算法对这些模型进行的，并且最近通过改进版本（例如重新恢复的尾流（RWS）和双向Helmholtz Machines（BIHM））进行了改进版本。 SBN中连接的局部性在与概率模型相关的Fisher信息矩阵中诱导稀疏性，并以细粒粒度的块状结构的形式引起。在本文中，我们利用自然梯度利用该特性来有效地训练SBN和HMS。我们提出了一种新颖的算法，称为“自然重新唤醒”（NRWS），该算法与其标准版本的几何适应相对应。以类似的方式，我们还引入了天然双向Helmholtz机器（NBIHM）。与以前的工作不同，我们将展示如何有效地计算自然梯度，而无需引入Fisher信息矩阵结构的任何近似值。在文献中进行的标准数据集进行的实验表明，NRW和NBIHM不仅在其非几何基准方面，而且在HMS的最先进培训算法方面都具有一致的改善。在训练后，汇聚速度以及对数可能达到的对数似然的值量化了改进。
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生成的对抗网络（GAN）是在众多领域成功使用的一种强大的深度学习模型。它们属于一个称为生成方法的更广泛的家族，该家族通过从真实示例中学习样本分布来生成新数据。在临床背景下，与传统的生成方法相比，GAN在捕获空间复杂，非线性和潜在微妙的疾病作用方面表现出增强的能力。这篇综述评估了有关gan在各种神经系统疾病的成像研究中的应用的现有文献，包括阿尔茨海默氏病，脑肿瘤，脑老化和多发性硬化症。我们为每个应用程序提供了各种GAN方法的直观解释，并进一步讨论了在神经影像学中利用gans的主要挑战，开放问题以及有希望的未来方向。我们旨在通过强调如何利用gan来支持临床决策，并有助于更好地理解脑部疾病的结构和功能模式，从而弥合先进的深度学习方法和神经病学研究之间的差距。
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